Определение параметров применимости кассетного трала при глубоководном опробовании месторождений железомарганцевых конкреций

А.С. Каширский, горный инженер, советник НП «Горнопромышленники России»

Е.А. Кузин, начальник управления по контролю и надзору за объектами метрополитена, Комитет государственного строительного надзора города Москвы (Мосгосстройнадзор)

Ю.В. Кириченко, профессор, д-р техн. наук, Горный институт НИТУ «МИСиС»

А.Э. Адигамов, доцент, канд. техн. наук, ИБО НИТУ «МИСиС»

Р.М. Галиакбарова, студ. 5-го курса Горного института НИТУ «МИСиС»

Возросший в последние десятилетия интерес к месторождениям твердых полезных ископаемых (ТПИ) Мирового океана вызван несколькими причинами. К основным из них следует отнести истощение месторождений суши, резкое усложнение горно-геологических условий их разработки, широкий спектр и высокое содержание полезных компонентов практически во всех видах минерального сырья морского дна. Наибольший интерес среди ТПИ Мирового океана представляют глубоководные полиметаллические сульфиды (ГПС), железомарганцевые конкреции (ЖМК), кобальт-марганцевые корки (КМК), россыпи цветных и редкоземельных металлов и металлоносные илы [1, 2].

Эти руды содержат широкий спектр стратегических металлов, в том числе: марганец (Mn), медь (Сu), никель (Ni), кобальт (Co), цинк (Zn), молибден (Mo), золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt), иттрий (Y), висмут (Bi), редкоземельные элементы (РЗЭ), кадмий (Cd), свинец (Pb), ванадий (V) и многие другие. Они также содержат фосфориты (P2O5), бариты, цеолитсодержащие осадки и газогидраты. Значительная часть этого перечня входит в список стратегических материалов, обеспечивающих минерально-сырьевую безопасность страны. В России этот список содержит 29 наименований, в США он непрерывно растет и к 2016 г. включал 107 позиций.Рис. 1 Принципиальная схема использования кассетного трала при разработке или опробовании конкрециеносных залежей:

Рис. 1 Принципиальная схема использования кассетного трала при разработке или опробовании конкрециеносных залежей:
1 – положение буксирного судна в начале траления; 2 – положение буксирного судна в конце траления; 3 – судно-сборщик; 4 – положение кассетного трала в начале заходки; 5 – положение кассетного трала в конце заходки; 6 – сетчатые емкости; 7 – буксирный трос; 8 – сигнальное устройство; 9 – траектория движения трала; 10 – траектории движения сетчатых емкостей

Проводимые многими странами мира (СССР-РФ в том числе) исследования показали наличие месторождений ТПИ во всех океанах нашей планеты как в международных районах, так и в пределах 200-мильной эксклюзивной зоны вдоль побережья многих стран [3]. Применительно к России залежи твердых полезных ископаемых выявлены в Арктической зоне, на Дальнем Востоке, в Балтийском, Черном и Каспийском морях. Глубина залегания месторождений ЖМК колеблется от нескольких десятков и первых сотен метров в шельфовых и прибрежных зонах до 5–6 км в центральных акваториях океанов [4, 5].

Необходимо отметить, что принадлежность выделенных международным органом (комитетом) по морскому дну – МОМД (ISA) участков должна подтверждаться проведением активных и результативных геологоразведочных работ, последующим проектированием технологии разработки и организацией опытно-промышленной добычи.

При геологоразведочных работах как в Мировом океане, так и в территориальных водах России пробы отбирались разными способами – тралом, грейфером, коробчатым дночерпателем, бурением [6].

Применение разработанного в Московском горном институте кассетного трала (Патент РФ №2562304 от 11.08.2015 г.), оснащенного контролирующей аппаратурой, вследствие его способности отбирать большие объемы проб с обширных площадей способно обеспечить получение исходного материала и сведений для выполнения большинства предъявляемых к геологоразведочным работам требований (рис. 1).

Расчет параметров кассетного трала

При определении параметров кассетного трала и расчетах его технологических возможностей учитывались многолетний зарубежный и отечественный опыт морских геологоразведочных и горно-разведочных работ, попыток добычи ЖМК в Мировом океане, разведочные данные конкрециеносных площадей как в международных, так и в российских водах, а также опыт разработки континентальных месторождений раздельно-зернистых горных пород и экскавации разрыхленных твердых пород.

Конструкция кассетного трала вследствие своей универсальности позволяет без технических переделок варьировать его производительность в достаточно широких пределах. Это достигается регулировкой механизма натяжения качающейся плиты, так как сетчатые емкости, рассчитанные по объему на вместимость 400, 500 и 750 кг (0,4; 0,5; 0,75 т) и более, могут поднимать на поверхность и другие массы [7]. Основную роль здесь играет подъемная сила баллонов-емкостей, вместимость которых должна обеспечить вытеснение такого объема воды, чтобы доставить на поверхность заданную массу конкреций, саму сетчатую емкость с аппаратурой и баллон из-под сжатого воздуха (газа).

Всплытие обеспечивается подъемной силой баллонов-емкостей, заполняемых под давлением, превышающим давление воды, воздухом (газом). В соответствии с физическими законами подъемная (архимедова) сила FA должна быть:

092 f1 (1)

где R – гидродинамическое сопротивление всплытия, Н; Σm – общая масса сетчатой емкости, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2.

При проектировании и изготовлении сетчатой емкости с сопутствующей аппаратурой подъема и подводного поиска необходимо минимизировать массогабаритные характеристики ее конструкции. Такой подход позволяет увеличивать долю полезного груза в общей массе емкости, так как:

092 f2 (2)

где mс – масса непосредственно сети, кг; mб – масса надуваемых подъемных баллонов, кг; mк – масса катков, кг; mр – масса ресивера (баллона) для сжатого воздуха (газа), кг; mг – масса газа (воздуха), кг; mсу – масса сигнального устройства, кг; Q′ – масса полезного груза (поднимаемых конкреций с илами), кг.

Полная масса и полный плавучий (водоизмещающий) объем связаны между собой уравнением плавучести:

092 f3 (3)

где Δв =1028,1 кг/м3 – средняя плотность воды при t = 0 °С и минерализации 35 ‰; ΣV – сумма объемов комплектующих деталей сетчатой емкости (полная масса).

При конструировании подводных аппаратов всегда стремятся к тому, чтобы комплекс имел нулевую (нейтральную) плавучесть [8, 9].

То есть под водой должно соблюдаться условие:

092 f4 (4)

где ΔMe – плотность материала, из которого изготовлена емкость, кг/м3.

Такое условие обеспечивается при ΔMe=Δв, тогда уравнение плавучести:

092 f5 (5)

Последние разработки в оборонной и космической отраслях позволили отечественной промышленности выпускать сверхпрочные и сверхлегкие ткани, материалы и сплавы с усилием разрыва – несколько сот килограммов на квадратный миллиметр.

Исходя из этого массы непосредственно сетки и надуваемых подъемных баллонов в воде можно принять равными нулю:

mс = 0 ; mб = 0.

Массу катков необходимо сбалансировать таким образом, чтобы отрицательная плавучесть нижних катков компенсировалась положительной плавучестью верхних.

Масса сигнального устройства с аккумулятором, помещенным в прочный корпус, с учетом современного развития навигационных технологий не будет превышать одного килограмма, а объем 0,00025 м3.

Масса газа (воздуха) совместно с ресивером (баллоном) будет рассчитана ниже при определении необходимого давления и количества воздуха.

Масса полезного поднимаемого груза рассчитывается, исходя из грузоподъемности сетчатой емкости с учетом Архимедовой силы морской воды и составит:

092 f6 (6)

где Qв= Vв ⋅Δв – масса воды, вытесняемой полезным грузом (конкреций с вмещающими илами); Vв – объем воды, вытесняемой полезным грузом (Vв= VQ) ;

Qо = VQ ⋅Δср – масса полезного груза на воздухе (задается типоразмером трала); Δср – средняя плотность конкреций с илами на воздухе.

С учетом того что в поднимаемом полезном грузе около 10% будут занимать вмещающие породы (донные илы):

092 f7 (7)

где Δк =1980 кг/м3 – средняя плотность конкреций; Δи =1180 кг/м3 – средняя плотность илов [10–12]. Тогда Δср =1900 кг/м3 .

С учетом вышеизложенного масса полезного поднимаемого груза составит:

092 f8 (8)

Применительно к условиям залегания конкреций в Мировом океане введен поправочный коэффициент перевода расчетной грузоподъемности трала к полезной массе:

092 f9(9)

 

Отсюда масса полезного груза для принятых типоразмеров трала (Q = 400 кг; 500 кг; 750 кг) составит

092 f9a

При условии задания грузоподъемности сетчатых емкостей 400 кг, 500 кг и 750 кг в водной толще масса полезного груза на поверхности (в воздухе) рассчитывается следующим образом:

092 f9b

На основании вышеизложенного уравнение плавучести (3) можно представить в виде:

092 f10 (10)

Следовательно, подъемную силу можно отобразить зависимостью:

092 f11 (11)

Основное сопротивление воды Rх оценивается по известным методикам расчетов обитаемых и необитаемых подводных аппаратов (ОПА и НПА) [9, 13, 14]. Необходимо также отметить, что полученные результаты будут ориентировочными, так как многие составляющие могут быть получены лишь по результатам экспериментальных исследований [13, 14].

Конструкция и расчет параметров сетчатой емкости

Рис. 2 Схематический разрез сетчатой емкости к расчету площади смоченной поверхности и параметров баллонов: 1 – сетка; 2 – конкреции; 3 – основной баллон; 4 – вспомогательный баллон

Рис. 2 Схематический разрез сетчатой емкости к расчету площади смоченной поверхности и параметров баллонов:
1 – сетка; 2 – конкреции; 3 – основной баллон; 4 – вспомогательный баллон

Схематически форма сетчатой емкости представляет собой усеченный по длинной оси эллипсоид, размеры которого зависят от типа применяемого кассетного трала (рис. 2). Для определения сопротивления всплыванию сетчатых емкостей рассчитывается полный подводный объем Vи смоченная поверхность Ω. Сопротивление при заданных скоростях движения ν определяется по выражению:

092 f12(12)

 

где Сх – коэффициент лобового сопротивления, величина которого ориентировочно определяется путем сложения его составляющих по формуле [7–10]:

092 f13 (13)

где Кк – коэффициент, учитывающий влияние на сопротивление трения продольной кривизны (зависит от относительного удлинения λ); Сf пл – коэффициент сопротивления трению плоской пластины, имеющей ту же длину и смоченную поверхность; ΔСf ш – надбавка на шероховатость внешней поверхности; Сω – коэффициент вихревого сопротивления; Сх вч – коэффициент, учитывающий сопротивление выступающих частей.

Полученные расчетные значения составляющих формулы (11) свидетельствуют, что основная подъемная сила должна приходиться на массу полезного груза и массу газа (воздуха). Остальные составляющие не превышают 5–7% от совместной массы конкреций и газа и во многом зависят от скорости ν.

При расчетах параметров самовсплывающих сетчатых емкостей использовались классические положения термодинамики и гидростатики [12, 13]. Известно, что частицы газа не связаны молекулярными силами притяжения и, свободно двигаясь, равномерно заполняют весь объем, то есть газы могут сжиматься и неограниченно расширяться. Соответственно, при различных действиях с газом его масса будет сохраняться и останется постоянной (m= const), причем может оставаться постоянной и температура (T = const). Например, при нормальных уровнях t = 0 °С. Изменение объема сопровождается изменением коэффициента сжимаемости.

Состояние заданной массы газа определяется значениями трех параметров: давления Р (Па), объема V (м3) и температуры T (К), которые связаны друг с другом через уравнение состояния тела.

pV = υR T, (14)

где υ – количество вещества (υ = m/M , где М – молярная масса газа, г/моль); R – газовая постоянная.

Но поведение реальных газов хорошо описывается уравнением рVm = R T только при малых плотностях, т.е. при не слишком больших давлениях и достаточно высоких температурах. С повышением давления и уменьшением температуры наблюдаются значительные отступления от этого уравнения (12) и (13). В действительности, уже при давлениях порядка 200 атм наблюдаются заметные отклонения, которые, непрерывно возрастая с увеличением давления, достигают при 1000 атм более 100%. Эти отклонения не представляются удивительными, поскольку при увеличении плотности начинают играть все большую роль объем молекул и взаимодействие между ними.

Для описания поведения газов в широком интервале плотностей было предложено много различных уравнений. Самым простым из них и вместе с тем дающим достаточно хорошие результаты оказалось уравнение Ван-дер-Ваальса:

092 f15(15)

 

где р – давление, оказываемое на газ извне (равное давлению газа на стенки сосуда), а и b – константы Ван-дер-Ваальса, имеющие для разных газов различные значения, определяемые опытным путем. Если давление выражено в Паскалях, а объем – в м3 на моль, то константа а измеряется в Па·м6/моль2, а константа b – в м3/моль.

Из-за взаимного притяжения между молекулами газ как бы сжимается большим давлением, чем давление р, оказываемое на газ стенками сосуда, в котором он заключен. Поправка характеризует ту добавку к внешнему давлению, которая обусловлена взаимным притяжением молекул друг к другу. Заметное воздействие молекул друг на друга осуществляется в пределах небольших расстояний, называемых радиусом молекулярного действия. Сила взаимного притяжения двух элементарных объемов, имеющих размеры порядка этого радиуса, пропорциональна как числу молекул, заключенных в одном из объемов, так и числу молекул, заключенных в другом объеме. Каждое из этих чисел в свою очередь пропорционально числу молекул в единице объема, т.е. обратно пропорционально объему газа.

Вследствие того, что молекулы обладают конечным объемом, пространство, доступное для движения молекул, оказывается меньшим, чем объем сосуда Vm. Поправка b характеризует ту часть объема, которая недоступна для движения молекул. Она равна нескольким суммарным объемам молекул, содержащихся в моле газа [16].

092 t1

092 2

092 t2

Рис. 3

С учетом вышеизложенных положений были произведены расчеты объемов V и массы газа m для различных давлений в диапазоне от 10 атм (глубина около 100 м) до 1000 атм (глубина около 10 км) при температуре 280 К. Например: масса 1 м3 (1000 л) воздуха составляет ~1200 г (1,2 кг), а его объем при давлении 1000 атм составит 2,3 л, водород при этих условиях занимает почти такой же объем, но его масса будет 86,8 г (0,087 кг).

Рис. 4

Рис. 4

По результатам расчетов были построены графики зависимости подъемной силы Fпод от различных параметров – объемов сжигаемых газов, объемов сжатых газов, их массы и глубины пробоотбора или разработки (рис. 3, 4). Полученные номограммы позволяют обосновать конструктивные параметры трала и выбирать режимы опробования или разработки конкрециеносных залежей в зависимости от условий залегания ЖМК.

Информационные источники
1. Козловский Е.А. Россия: минерально-сырьевая политика и национальная безопасность. М.: Издво МГГУ, 2002. 856 с.
2. Кириченко Ю.В., Щёкина М.В. Освоение ресурсов Мирового океана основа национальной безопасности России (современное состояние и пути решения) / Сб. докл. VI съезда гидромеханизаторов России. М.: Изд-во ООО «Центр инновационных технологий», 2012. С. 101-110.
3. Доклад и рекомендации Совета Международного органа по морскому дну в отношении заявки Правительства Российской Федерации на утверждение плана работы по разведке полиметаллических сульфидов. Международный орган по морскому дну. ISBA/17/12. 17-я сессия, Кингстон, Ямайка, 11-22 июля 2011 г. 20 с.
4. Гальперин А.М., Кириченко Ю.В., Каширский А.С. и др. Оценка возможности вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку. Ч. 1. Минерально-сырьевые ресурсы Мирового океана // ГИАБ. 2014. 5. С. 134-142.
5. Андреев С.И., Казакова В.Е., Бабаева С.Ф., Черкашев Г.А. Твердые полезные ископаемые Мирового океана: история открытий, геологическое изучение, перспективы освоения / Горный журнал. 2013. 11. С. 65-72.
6. Истомин С.Ю., Дробаденко В.П., Контарь Е.А. Техника морских геологоразведочных и горноразведочных работ. М.: Изд-во МГРИ, 1990. 121 с.
7. Кириченко Ю.В., Каширский А.С. и др. Способ добычи железомарганцевых конкреций из илистых донных отложений и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2562304 от 11.08.2015.
8. Карякин Н.И., Быстров К.Н., Киреев П.С. Краткий справочник по физике. М.: Высшая школа, 1962. 560 с.
9. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов. Л.: Судостроение, 1973.
10. Железомарганцевые конкреции Мирового океана. Под ред. Ю.В.Казмина. Тр. ВНИИОкеангеология ПГО Севморгеология. Т. 192. М.: Недра, 1984. 175 с.
11. Задорнов М.М., Романчук А.И., Болотов Л.А. Минеральное сырье. Железомарганцевые образования / Справочник. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1998. 46 с.
12. Инженерная геология рудной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане. /Я.В. Неизвестнов, А.В.Кондратенко, С.А.Козлов и др. Тр. ВНИИОкеангеология СПб.: Наука, 2004. 281 с.
13. Дмитриев А.Н. Проектирование подводных аппаратов. Л.: Судостроение, 1978. 376 с.
14. Самоходные необитаемые подводные аппараты / Под ред. И.М. Иконникова. Л.: Судостроение, 1986. 264 с.
15. Прокофьев В.Л., Дмитриева В.Ф. Физика. М.: Высшая школа, 1983.
16. Atkins P.W. and De Paula. J. Physical Chemistry. W.H. Freeman. 2010. T. 1. ISBN 9780199593361.
Ключевые слова: железомарганцевые конкреции, стратегические металлы, кассетный трал, самовсплывающие емкости, крупномасштабное опробование, сопротивление всплытию, сжатие газов, подъемная сила

Журнал "Горная Промышленность"№5 (135) 2017, стр.92